微弱信号检测的超低噪音宽带放大器设计

秦正波+任羊弟+王辉

摘要：本文简要报道了微型超低噪音宽带快电荷灵敏前置放大器。该放大器主要采用高增益宽带低噪音电压反馈型集成运放芯片OPA847，其低电压输入噪音低至0.85nV/Hz1/2， 带宽高至3.9GHz。整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，该前置放大器具有电路结构简单、紧凑，超高速，极低噪音，超高稳定性等优点。经实验测试，该放大器能有效进行微弱信号的放大和噪音的抑制，可广泛应用于普通物理实验的光电探测的前置放大，科研上也具有较可观的应用前景。

关键词：微弱信号检测；前置放大器；超低噪音

中图分类号：TN722 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2017）007-0-02

The design of an ultra-low-noise wideband amplifier for the weak signal measurement

QIN Zheng-bo，REN Yang-di，WANG Hui

（Department of Physics， Anhui Normal University， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： A miniature， ultra-low-noise， and high-sensitivity preamplifier has been introduced in brief in this paper. The design is adopted which mainly combines a high-gain bandwidth， low-noise， voltage-feedback operational amplifier OPA847. The input voltage noise density reaches to as low as 0.85nV/Hz1/2 and bandwidth gets up to 3.9 GHz. The device costs only several hundred yuan， which is less than one tenth of cost for similar products. The preamplifier has the advantage of simple， compact， super-high speed， ultra-low noise and super-high stability et al. The amplifier has the function of the gain of weak signal and suppression of noise after testing. It is applied to the amplification of photoelectric detection and has the application foreground for scientific research.

Key words： weak signal detection； pre-amplifier； ultra-low-noise

引言

在大學物理实验中的光电测量，光信息传输实验中的微弱信号检测或者飞行时间质谱实验中的质谱检测，无论光谱测量中使用的光电倍增管[1]，还是质谱实验中使用的微通道板[2-3]，最终输出的都是脉冲电子流，尤其是电子流具有瞬态性和高速性（10-9秒），而普通的低带宽的放大器无法有效的进行高速电子脉冲信号的放大，并且会造成时间积分上的拉宽，造成信号损失乃至丢失，最终可能不为采集装置所采集，因此从检测器上所获得的微弱信号，需要经过前置放大器进行预放大才可以被瞬态采集卡或者示波器进行信号采集及数据处理。由此可见，放大器的性能是影响脉冲信号质量的一个关键环节。从频谱分析可知，脉冲宽度与频带成反比，一般来说，通常的脉冲信号半峰宽从几纳秒左右到几十纳秒，其频谱范围可从直流到500MHz以上，因此为了尽可能减少信号放大引起的失真，真实地反映由检测器所检测到的脉冲信号，就要求这种前置预放大器具有足够的带宽，从而保证仪器整体的分辨率和精度不会因此而受到影响。

一、基本原理

基于上述微弱信号检测特性的要求，所设计电路必须具备以下性能：（1）实现高带宽的信号放大；（2）有效抑制噪音，具有低漂移特性。本工作研制了一款微弱信号超低噪音的宽带放大器，可以实现高速脉冲信号的预放大。在这里，我们基于OPA847芯片，设计并测试了一款紧凑的微型超低噪音的放大器模块，整个成本低至数百元，是同类型产品的1/10或更少，很适合普通物理实验或者研究性实验中自制的宽带预放大器。目前国内还未有300MHz以上的预放大器的市售产品，而进口同性能预放大器的价格高至万元以上。因此在本工作中将宽带指标定在300MHz，以满足实验需求。其指标为：总增益10倍左右，输入阻抗50Ω，输出阻抗50Ω，电源供给5V。根据设计要求的前置放大电路原理如图1所示。

二、仿真和测试

采用OPA847芯片，其单位增益带宽是3.9GHz，在增益系为12时的平均闭环带宽为600MHz，压摆率为950V/?s（转换速率），脉冲建立时间为6ns（1%），等效输入噪音电压为0.85nV/Hz1/2，等效输入噪音电流为2.5pA/Hz1/2。在本放大电路中，引入负反馈避免输入量的变化及自身等原因引起的不稳定性，从而保证放大器的稳定运行。而OPA847属于电压反馈型放大器，输入输出电阻电容的选取和信号端输入输出端匹配电阻的选取对放大器的质量至关重要。因此需要对反馈电阻和输入输出频率利用NI公司的仿真模拟软件Multisim12反复进行仿真测试[4-5]，选取一套合理的阻值和电容大小，仿真原理图如图2所示。

在图2所示的同相比例电路中，选取560欧姆作为反馈电阻，其增益系数为G=1+R1/R2=12[6]。利用Multisim，同相输入端加10mV、100MHz的微弱正弦波信号，进行仿真可得输入输出端波形如图3所示，从波形看输入VPP=20mV，输出VPP=230mV，输出输入比例为11.5，与理论分析得到的增益系数（12）相符。可见，预放大电路满足设计要求。此外，带宽是放大器的一项重要参数，如图4所示，放大器在带宽为5KHz～3GHz和输入VPP=20mV的条件下进行了增益测试，结果表明在增益系数接近12的条件下频带宽度为100K～200MHz。进一步分析发现，对于OPA847芯片，其脉冲建立时间（1%）为6ns，这就决定了其高频信号的最大带宽不超过200MHz。但是对于低重复频率的脉冲信号（本例输入信号幅度为V=5mV，频率为10KHz），由于相邻脉冲间隔远大于OPA847芯片的脉冲建立时间，其工作带宽可以扩展至更高的频带范围。如图5的仿真结果所示，无论对于边沿为1ns的还是10ns的方波脉冲信号，其放大系数均能稳定在12倍，并且无明显的失真。因此，对于低重复频率高速脉冲信号（小于100MHz），本预放大器在增益为12的条件下工作带宽可扩展至500MHz。

噪音是预放大器的最重要的指标之一，如何控制和降低噪音，是研制时最为重要和关注的问题。本工作主要采取两方面措施：（1）选择低噪音器件，设置合适的反馈电阻。如本工作中选取极低输入噪音的运放OPA847，其输入噪音低至0.85nV/Hz1/2。（2）采用大面积敷铜电路板，保证对所有输入、输出、电源连接器实行良好的接地。所有的元件采用貼片形式，均匀分布，连线尽量短。这些考虑对降低电荷预放大器的噪音取得了明显的效果。

整个电路板封装在一个铝制方盒中（67毫米×53毫米×12毫米），信号输入和信号输出采用射频SMA接口，并直接固定在铝盒侧面，实物图如图6所示。经过仿真模拟和测试，本工作所设计的预放大器带宽可高至500MHz。实验中对溴氟苯的共振增强光子电离质谱输出信号进行了测试，如图7（a）所示未经放大前的信号高度仅为～2mV，上升沿为10ns左右，经过放大后的信号如图7（b）所示，信号高度达到～30mV，信号增益为15，基本符合设计的增益指标（12X）。更重要的是，高频噪音得到抑制，图7（b）基线更平滑，信噪比大大提高。由此可见，该放大器完全适用于噪音抑制和高频微弱信号（纳秒量级）的检测。

三、结语

仿真和实验结果表明，基于OPA847的超低噪音宽带预放大器，对于高频微弱脉冲信号，在增益为12的条件下频宽范围为100K～200MHz。如果选择低重复频率高速脉冲信号，本预放大器在增益为12的条件下工作带宽可高至500MHz。其低价高性能特点适用于光电探测和质谱检测等应用领域。

参考文献：

[1]胡涛，司汉英.光电探测器前置放大电路设计与研究[J].光电技术应用，2010，25（1）：52-55.

[2]扬芃原，杭纬，周振，苏永选.用于飞行时间质谱检测的小信号宽带放大器[J].分析测试仪器通讯，1995，4：187-189.

[3]张子斌，翟利华.用于激光电离质谱的低噪声脉冲放大器[J].质谱学报，2000，21（1）：56-60.

[4]古良玲，杨奕.电路电子基础实验中Multisim10.0的应用技巧[J].实验科学与技术，2010，8（1）：45-47.

[5]张丽萍.Multisim10.0仿真软件在模拟电路实验中的应用[J].实验科学与技术，2009，7（6）：61-62.

[6]李军雨，吴晗平，吕照顺，梁宝雯，李旭辉.基于FPGA的紫外通信微弱信号放大器设计[J].激光与红外，2014（10）：1143-1148.

通讯作者：秦正波（1983-），男，汉族，安徽芜湖人，安徽师范大学物理系副教授，博士，主要从事普通物理实验和原子与分子光谱研究。

基金项目：国家自然基金（21503003，11674003和61475001）；安徽自然科学基金（1608085QA10）；安徽高校自然科学基金（KJ2015A032）；安徽省省级质量工程项目。